熱電偶基本結(jié)構(gòu)示意圖

 

將熱電偶產(chǎn)生的電壓變換成精確的溫度讀數(shù)并不是件輕松的事情，其原因包括電壓信號太弱，溫度電壓關(guān)系呈非線性，需要參考接合點(diǎn)補(bǔ)償，且熱電偶可能引起接地問題等。

 

例如最常見的熱電偶類型有J、K和T型。在室溫下，其電壓變化幅度分別為52 μV/°C、41 μV/°C和41 μV/°C，其它較少見的類型溫度電壓變化幅度甚至更小。這種微弱的信號在模數(shù)轉(zhuǎn)換前需要較高的增益級，因?yàn)殡妷盒盘栁⑷?，信號調(diào)理電路一般需要約100左右的增益，這是相當(dāng)簡單的信號調(diào)理。更棘手的事情是如何識別實(shí)際信號和熱電偶引線上的拾取噪聲。熱電偶引線較長，經(jīng)常穿過電氣噪聲密集環(huán)境，引線上的噪聲可輕松淹沒微弱的熱電偶信號。

 

另一方面，要獲得精確的絕對溫度讀數(shù)，必須知道熱電偶參考接合點(diǎn)的溫度。參考接合點(diǎn)溫度需要使用另一種溫度敏感器件來測量——一般為IC、熱敏電阻、二極管或RTD（電阻溫度測量器），然后對熱電偶電壓讀數(shù)進(jìn)行補(bǔ)償以反映參考接合點(diǎn)溫度。必須盡可能精確地讀取參考接合點(diǎn)—將精確溫度傳感器保持在與參考接合點(diǎn)相同的溫度，任何讀取參考接合點(diǎn)溫度的誤差都會直接反映在最終熱電偶讀數(shù)中。

 

此外，溫度電壓關(guān)系呈非線性、熱電偶可能引起接地問題等都使得熱電偶信號調(diào)理比其它溫度測量系統(tǒng)的信號調(diào)理更復(fù)雜，信號調(diào)理設(shè)計和調(diào)試所需的時間可能會延長產(chǎn)品的上市時間，信號調(diào)理部分產(chǎn)生的誤差同樣可能會降低精度，尤其在參考接合點(diǎn)補(bǔ)償段。

 

解決方案一：將參考接合點(diǎn)補(bǔ)償和信號調(diào)理集成在一個模擬IC內(nèi)

 

下圖為K型熱電偶測量示意圖，它使用了AD8495/AD8494熱電偶放大器，此類放大器專門設(shè)計用于測量K型熱電偶。這種模擬解決方案為縮短設(shè)計時間而優(yōu)化，它的信號鏈比較簡潔，不需要任何軟件編碼。

 

 

用于測量K型熱電偶而優(yōu)化的信號鏈設(shè)計

 

AD8495熱電偶放大器的框圖中，放大器A1、A2和A3（及所示電阻）一道形成一個儀表放大器，它使用恰好產(chǎn)生5 mV/°C輸出電壓的一個增益來對K型熱電偶輸出進(jìn)行放大。在標(biāo)記"Ref junction compensation"（參考接合點(diǎn)補(bǔ)償）的框內(nèi)是一個環(huán)境溫度傳感器。在測量接合點(diǎn)溫度保持穩(wěn)定的條件下，如果參考接合點(diǎn)溫度由于任何原因而上升，來自熱電偶的差分電壓就會降低。如果微型封裝的（3.2 mm × 3.2 mm × 1.2 mm）AD8495接近參考接合點(diǎn)的熱區(qū)域，參考接合點(diǎn)補(bǔ)償電路將額外電壓施加到放大器內(nèi)，這樣輸出電壓保持恒定，從而對參考溫度變化進(jìn)行補(bǔ)償。

 

 

AD8495功能框圖

 

與AD8495類似，熱電偶放大器AD8494內(nèi)置一個片內(nèi)溫度傳感器，一般用于冷結(jié)補(bǔ)償，將熱電偶輸入端接地，該器件便可用作一個獨(dú)立的攝氏溫度計。在這種配置中，放大器在片內(nèi)儀表放大器的輸出引腳與參考引腳之間產(chǎn)生5 mV/°C的輸出電壓。然而，現(xiàn)在參考引腳由運(yùn)算放大器AD8538（配置為單位增益跟隨器）驅(qū)動，因此5 mV/°C電壓出現(xiàn)在R1兩端。流經(jīng)R1的電流也會流經(jīng)R2，從而在該串聯(lián)組合兩端產(chǎn)生一個溫度相關(guān)的電壓，其大小為(R1 + R2)/R1乘以R1兩端的電壓。利用圖中所示的值，可以得出輸出電壓以20 × 5 mV/°C = 100 mV/°C的幅度改變，因此20°C溫度變化將產(chǎn)生2 V的輸出電壓變化。新系統(tǒng)的分辨率為0.05°C/LSB，比原電路提高20倍。AD8538緩沖該電阻網(wǎng)絡(luò)，以低阻抗驅(qū)動參考引腳，從而保持良好的共模抑制性能和增益精度。

 

 

基于AD8494的高分辨率溫度測量系統(tǒng)參考

 

解決方案二：將參考接合點(diǎn)補(bǔ)償和信號調(diào)理獨(dú)立開來

 

下圖顯示為高精度測量J、K或T型熱電偶的示意圖，此電路包括一個小信號熱電偶電壓測量用的高精度ADC，和一個參考接合點(diǎn)溫度測量用的高精度溫度傳感器。兩個器件都由一個外部微處理器使用SPI接口進(jìn)行控制。

 

 

為精度和靈活性而優(yōu)化的信號鏈系統(tǒng)

 

該系統(tǒng)通過使用AD7793這一高精度、低功耗模擬前端來測量熱電偶電壓。熱電偶輸出經(jīng)過外部濾波后連接到一組差分輸入AIN1(+)和AIN1(–)。信號然后依次經(jīng)過一個多路復(fù)用器、一個緩沖器和一個儀表放大器（放大熱電偶小信號）發(fā)送到一個ADC，它將該信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，能夠消除噪聲并放大電壓。

 

ADT7320則在充分靠近參考接合點(diǎn)放置時在–10°C至+85°C溫度范圍內(nèi)參考接合點(diǎn)溫度測量精度可達(dá)到±0.2°C。片上溫度傳感器產(chǎn)生與絕對溫度成正比的電壓，該電壓與內(nèi)部基準(zhǔn)電壓相比較并輸入至精密數(shù)字調(diào)制器。該調(diào)制器輸出的數(shù)字化結(jié)果不斷刷新一個16位溫度值寄存器。然后通過SPI接口從微處理器回讀溫度值寄存器，并結(jié)合ADC的溫度讀數(shù)一起實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償。不同于傳統(tǒng)的熱敏電阻或RTD傳感器測量，它既不需要在電路板裝配后進(jìn)行高成本的校準(zhǔn)步驟，也不會因校準(zhǔn)系數(shù)或線性化程序而消耗處理器或內(nèi)存資源。其功耗只有數(shù)毫瓦，避免了降低傳統(tǒng)電阻式傳感器解決方案精度的自發(fā)熱問題。

 

本文小結(jié)

 

熱電偶可以用于高精度的溫度測量，但對設(shè)計工程師來說卻很棘手，需要通過堅(jiān)實(shí)的電路設(shè)計和校準(zhǔn)來優(yōu)化測量精度。本文提供的第一種方案將參考接合點(diǎn)補(bǔ)償和信號調(diào)理集成在一個模擬IC AD8495/AD8494內(nèi)，使用更簡便；第二種方案則將參考接合點(diǎn)補(bǔ)償和信號調(diào)理獨(dú)立開來，基于AD7793這一高精度、低功耗模擬前端，使數(shù)字輸出溫度感應(yīng)更靈活、更精確。